Χημικές ιδιότητες εδάφους

Εδαφικά κολλοειδή

Με την ανάμειξη δύο ουσιών προκύπτουν δυαδικά συστήματα, στα οποία όταν το ένα συστατικό βρίσκεται σε διαμερισμό μέσα στο άλλο, ονομάζονται συστήματα διασποράς και διακρίνονται σε αδρομερή, κολλοειδή και μοριακά, ανάλογα με τις διαστάσεις της ουσίας που βρίσκεται σε διασπορά. Όταν στα κολλοειδή έχουμε υγρό σε υγρό τότε πρόκειται για γαλακτώματα, ενώ όταν έχουμε στερεό σε υγρό τα συστήματα αυτά καλούνται αιωρήματα. Τα κολλοειδή σωματίδια έχουν μεγάλη επιφάνεια, δεν μπορούν να περάσουν από φυτικές και ζωϊκές μεμβράνες, η ταχύτητα πτώσης των κολλοειδών τεμαχιδίων κατά την κατακρήμνισή τους ακολουθεί το νόμο του Stokes, έχουν αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο στην επιφάνειά τους και έχουν πολύ μικρή ταχύτητα διαχύσεως σε σχέση με τα μόρια των μοριακών διαλυμάτων.

Τα κολλοειδή τεμαχίδια αποτελούνται από μακρομόρια (μόρια μεγάλου ΜΒ όπως πρωτεΐνες) ή από συγκροτήματα πολλών μικρών μορίων (μόρια μικρού ΜΒ που συνδέονται μεταξύ τους με χαλαρούς δεσμούς και ονομάζονται μικέλλες). Τα πρώτα χαρακτηρίζονται ως μοριακά κολλοειδή ενώ τα δεύτερα ως μη μοριακά κολλοειδή. Τα εδαφικά κολλοειδή έχουν επιφάνειες ηλεκτρικά φορτισμένες, συνήθως όμως αρνητικά. Στα ανόργανα εδαφικά κολλοειδή εμφανίζονται και θετικά φορτία συνήθως στην επιφάνεια των ένυδρων οξειδίων σιδήρου και μαγγανίου. Η οργανική ουσία έχει το μεγαλύτερο φορτίο απ' όλα τα κολλοειδή του εδάφους. Συνέπεια της αρνητικής φόρτισης των ανόργανων εδαφικών κολλοειδών είναι η έλξη θετικών κατιόντων από το εδαφικό διάλυμα.

Ανταλλαγή κατιόντων

Η προσρόφηση των ιόντων δεν είναι μία διαδικασία στατική, αλλά αντίθετα μάλιστα τα προσροφημένα ιόντα μπορούν να μεταφερθούν στο διάλυμα και κάποια ιόντα να προσροφηθούν από τα εδαφικά κολλοειδή. Η ιοντική ανταλλαγή εξαρτάται κυρίως από τη συγκέντρωση του διαλύματος και από το σθένος των εναλλασσομένων ιόντων, ενώ επηρεάζεται και από τη θερμοκρασία. Τα φαινόμενα αυτά δεν είναι τόσο απλά, αρκετοί ακόμα παράγοντες υπεισέρχονται και επηρεάζουν το ποια ιόντα είναι αυτά που θα προσροφηθούν - ανταλλαγούν, σε ποιες ποσότητες, με ποια ταχύτητα και πότε θα γίνει αυτό.

Αρκετοί ερευνητές προσπάθησαν να αναπτύξουν εξισώσεις, οι οποίες κάτω από ένα θεωρητικό υπόβαθρο να περιγράφουν το φαινόμενο της ανταλλαγής των κατιόντων. Η περισσότερη χρησιμοποιημένη εξίσωση είναι η εξίσωση Gapon, που βασίζεται στην κλασσική θεωρία της χημικής κινητικής² και αναφέρει ότι η σύσταση των προσροφημένων κατιόντων εξαρτάται από τη συγκέντρωση και τη σύσταση των κατιόντων στο εδαφικό διάλυμα και δίνεται από τη σχέση Α_e/B_e = c ([A_s]^1/a / [B_s]^1/b), όπου Α και Β κατιόντα με σθένη a και b αντίστοιχα, οι δείκτες e και s εκφράζουν τις συγκεντρώσεις των κατιόντων στην επιφάνεια των στερεών τεμαχιδίων και στο διάλυμα αντίστοιχα. Ο συντελεστής c εξαρτάται από τη φύση της επιφάνειας των σωματιδίων και του προσροφημένου κατιόντος. Η εξίσωση του Gapon δείχνει ότι η προσρόφηση είναι μεγάλυτερη στα μεγαλύτερα στα μεγαλύτερουθ σθένους κατιόντα και ότι αυτή η εκλεκτικότητα αυξάνει όσο πιο αραιό γίνει το εδαφικό διάλυμα.

Η συμπεριφορά των ιόντων από άποψη προσρόφησης - ανταλλαγής στα εδαφικά κολλοειδή επηρεάζεται και από τον όγκο του εδαφικού διαλύματος. Η αραίωση ή συμπύκνωση του διαλύματος επηρεάζει την ισορροπία που υπάρχει στο σύστημα. Η αραίωση του διαλύματος που μπορεί να προέλθει από τις βροχές η ακόμα και τις αρδεύσεις, προκαλεί ένα μέρος των δισθενών κατιόντων του διαλύματος να αντικαταστήσουν ισοδύναμο πόσο μονοσθενών ιόντων στο εδαφικό τεμαχίδιο, τα οποία θα εξέλθουν στο εδαφικό διάλυμα. Υπάρχει επομένως έκλυση μονοσθενών κατιόντων, τα οποία μπορούν να τα απορροφήσουν τα φυτά ή και να χαθούν με έκπλυση. Επομένως σε υγρά κλίματα (π.χ Δυτική Ελλάδα) ή ακόμα και μέσω του ποτίσματος παρατηρείται προσρόφηση Ca⁺² και Mg⁺² και αποδέσμευση Κ⁺ που χρησιμοποιείται από τα φυτά.

Η ποσοτικοποίηση της δυνατότητας αυτής, που έχουν τα εδάφη, ώστε να μπορεί να επιτευχθεί και η σύγκρισή τους (ως προς την ικανότητα να παρέχουν θρεπτικά στοιχεία) γίνεται μέσω της Ικανότητας Ανταλλαγής Κατιόντων (ΙΑΚ). Η ΙΑΚ ορίζεται ως το συνολικό ποσό των προσροφημένων κατιόντων στη στερεά φάση του εδάφους και εκφράζεται σε χιλιοστοϊσοδύναμα κατιόντων ανά 100gr εδάφους. Η ΙΑΚ έχει τιμές που ποικίλλουν περίπου από 4 - 10meq/100gr έως 200meq/100gr. Οι διαφορές αυτές αντανακλούν την εξάρτησή της από μία σειρά παράγοντες. Συγκεκριμένα η ΙΑΚ εξαρτάται από την κοκκομετρική σύσταση, την ορυκτολογική σύσταση, την ποσότητα της οργανικής ουσίας, το pH.

Το εκατοστιαίο ποσοστό των ανταλλάξιμων βασικών κατιόντων (αλκαλίων και αλκαλικών γαιών) ως προς το σύνολο των κατιόντων που μπορούν να προσροφηθούν (και το οποίο εκφράζεται από την ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων ΙΑΚ), ονομάζεται βαθμός κορεσμού με βάσεις. Ο βαθμός κορεσμού με βάσεις είναι σημαντική ιδιότητα των εδαφών, που επηρεάζει ακόμα και τη θρέψη των φυτών. Για γεωργικές καλλιέργειες, οι οποίες να αποδίδουν οικονομικά, πρέπει να έχουμε τιμές του βαθμού κορεσμού γύρω στο 70%. Αύξηση του βαθμού κορεσμού επιτυγχάνεται με προσθήκη στο έδαφος μερικών κατιόντων. Συνήθως προσθέτουμε ασβέστιο, το οποίο είναι φθηνό ενώ παράλληλα με βαθμό κορεσμού έως 90% περίπου δεν επιδρά δυσμενώς. Σπάνιο προστέθουμε κάλιο, που είναι ακριβό. Τέλος, καλό είναι να αποφεύγεται πρόσθηκη νατρίου, που είναι τοξικό για τα φυτά και παράλληλα δημιουργεί συνθήκες διασποράς.

Ανταλλαγή ανιόντων

Η ικανότητα ανταλλαγής ανιόντων (ΙΑΑ) είναι πολύ μικρότερη από την ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων (ΙΑΚ). Υπάρχουν όμως μερικά ορυκτά του εδάφους, όπως διάφορα οξείδια/υπεροξείδια του σιδήρου και του αργιλίου και οργανικά σύμπλοκα με τα κατιόντα αυτά που προσροφούν πολύ ισχυρά ανιόντα. Αυτός είναι και ο λόγος, που σε εδάφη με σημαντικά ποσά υδροξειδίων (και καολινίτη) όπως στις τροπικές περιοχές, η ΙΑΑ έχει τιμές περίπου 20meq/100gr εδάφους, ενώ σε εδάφη εύκρατης ζώνης έχει τιμές μεταξύ 0,5 - 2meq/100gr. Το φαινόμενο της ανταλλαγής ανιόντων είναι πολύ σημαντικό για τη θρέψη των φυτών. Χρήσιμα θρεπτικά στοιχεία, για την ανάπτυξη και την καλύτερη απόδοση των καλλιεργειών, αποτελούν πέρα από τα κατιόντα και κάποια ανιόντα, όπως NO₃^-, PO₄^-3 και SO₄^-2. Εκτός από τα φωσφορικά ανιόντα, όλα τα υπόλοιπα δεν δημιουργούν προβλήματα στη θρέψη, επειδή ακριβώς η προσρόφησή τους είναι μικρή και μετακινούνται εύκολα προς το εδαφικό διάλυμα.

Θρόμβωση και διασπορά

Τα κολλοειδή τεμαχίδια της αργίλου είναι πιθανόν να βρίσκονται σε απόσταση το ένα από το άλλο, να είναι δηλαδή σε κατάσταση διασποράς ή να συνενωθούν, σχηματίζοντας σωρούς, θρόμβους και στη συνέχεια να κατακρημνισθούν, να συμβεί δηλαδή θρόμβωση της αργίλου. Το αν θα συμβεί θρόμβωση ή διασπορά, εξαρτάται από το είδος των δυνάμεων, ελκτικές ή απωστικές που θα υπερισχύσει. Θρόμβωση προκαλούν οι ηλεκτρολύτες, η παρουσία αλάτων, η οργανική ουσία του εδάφους, τα θετικά φορτισμένα οξείδια του σιδήρου, του αργιλίου και του μαγγανίου, επειδή μπορούν και σχηματίζουν γέφυρες ή εξουδετερώνουν το φορτίο των κολλοειδών. Τέλος θρόμβωση προκαλεί και το ανθρακικό ασβέστιο που υπάρχει στα εδάφη. Η θρόμβωση αποτελεί αντιστρεπτή ιδιότητα, με αποτέλεσμα όταν απομακρυνθεί ο παράγοντας που την προκάλεσε, το σύστημα να μετατρέπεται σε διασπορά. Στα αλατούχα εδάφη με μεγάλες ποσότητες νατρίου έχουμε θρόμβωση, η οποία όμως χάνεται αμέσως μόλις τα ξεπλύνουμε και φύγει το περίσσευμα του νατρίου. Η θρόμβωση των εδαφικών κολλοειδών βοηθά στη διατήρηση καλής δομής και αυξάνει την παραγωγικότητα των εδαφών, ενώ η διασπορά των κολλοειδών καταστρέφει τη δομή, δημιουργώντας κακές συνθήκες ανάπτυξης των φυτών.

Χημική αντίδραση

Η οξύτητα των εδαφών (pH) είναι μία πολύ σημαντική ιδιότητά τους, γιατί επηρεάζει με ποικίλους τρόπους την ανάπτυξη των φυτών καθώς επίσης και τις φυσικοχημικές διεργασίες του εδάφους. Οι τιμές του pH στα γεωργικά εδάφη κυμαίνονται συνήθως μεταξύ 5 και 8,5 ενώ σε κάποιες λίγες περιπτώσεις φθάνουν μέχρι 3 ή ακόμα και 10. Ανάλογα με τις τιμές του pH, με τη σχέση δηλαδή των ποσών των ιόντων Η⁺ και ΟΗ^- που υπάρχουν στο εδαφικό διάλυμα, τα εδάφη διακρίνονται στις επόμενες κατηγορίες.

• Πολύ ισχυρά όξινα: pH<5
• Iσχυρά όξινα: pH = 5 - 5,5
• Μετρίως όξινα: pH = 5.5 - 6
• Ελαφρά όξινα: pH = 6 - 6,7
• Ουδέτερα: pH = 6,7 - 7
• Ελαφρά αλκαλικά: pH = 7 - 7,5
• Αλκαλικά: pH = 7,5 - 8
• Μέτρια αλκαλικά: pH = 8 - 8,5
• Iσχυρά αλκαλικά: pH > 8,5

Ιόντα υδρογόνου στο εδαφικό διάλυμα προέρχονται από πολλές πηγές, όπως απο οργανικά και ανόργανα συστατικά του εδάφους, από την ατμόσφαιρα, καθώς και από εκκρίσεις των ριζών, ενώ συνεισφέρουν και τα προστιθέμενα λιπάσματα. Οι πηγές της οξύτητας των εδαφών είναι οργανική ουσία, ατμόσφαιρα, εκκρίσεις ριζών, διάσταση ομοιοπολικών δεσμών υδρογόνου και οξυγόνου και το μητρικό υλικό.

Οι μηχανισμοί, που επηρεάζουν πραγματικά το pH του εδάφους, είναι οι επιφανειακές αντιδράσεις της κολλοειδούς φάσεως αυτού, με την επίδραση του νερού και του χρόνου. Υπολογίζεται ότι τα κολλοειδή συνεισφέρουν τουλάχιστον το 95% της οξύτητας. Η ύπαρξη νερού απομακρύνει με υδρόλυση τα διαλυτά άλατα και βασικά κατιόντα που έχουν προσροφηθεί από τα κολλοειδή, τα οποία αντικαθίστανται από υδρογονιόντα. Ένας άλλος μηχανισμός που δημιουργεί ιόντα υδρογόνου, σε χαμηλά pH, είναι το αργίλιο. Ιόντα αργιλίου στο έδαφος προέρχονται από αποσύνθεση αργιλικών ορυκτών.

Σχετικές σελίδες

• Εδαφικά κολλοειδή

• Ανταλλαγή κατιόντων

• Ανταλλαγή ανιόντων

• Θρόμβωση και διασπορά

• Χημική αντίδραση εδάφους